光子芯片根據(jù)基材的不同，大致可分為兩類：一種是在以InP為代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片；另一種則是在以硅為代表的“無源材料”上制作的，即硅光芯片。

硅光芯片是將硅光材料和器件通過特殊工藝制造的集成電路，主要由光源、調(diào)制器、有源芯片等組成，通常將光器件集成在同一硅基襯底上。硅光芯片在保持光器件高靈敏度的基礎(chǔ)上兼具低成本、低功耗、高速、超小型化和超輕超薄等獨(dú)特優(yōu)勢。

2021年阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布的2022年十大科技趨勢預(yù)測中，硅光芯片技術(shù)就位列其中。

硅光芯片集成技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，在消費(fèi)電子、激光雷達(dá)、人工智能計算、量子通信等領(lǐng)域都有較大發(fā)展空間。

01 硅光技術(shù)的應(yīng)用

首先是消費(fèi)電子和量子通信領(lǐng)域。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，硅光的高集成度特性非常適合消費(fèi)電子的需求，因?yàn)?a target="_blank">智能傳感、移動終端等產(chǎn)品均可利用硅光技術(shù)在有限的空間集成更多的器件。因此，針對消費(fèi)電子的硅光應(yīng)用會有更多應(yīng)用場景。

在量子通信領(lǐng)域，由于硅光技術(shù)保密性強(qiáng)、集成度高、適合復(fù)雜光路控制等優(yōu)勢，有望成為量子通信的重要技術(shù)方案。

其次是在人工智能和激光雷達(dá)的應(yīng)用。硅基光電子芯片憑借光子的獨(dú)特性質(zhì)，能夠在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算處理中發(fā)揮高帶寬、低時延等優(yōu)勢。在處理深度學(xué)習(xí)中大量的矩陣計算的乘加任務(wù)時，硅基光電子芯片擁有更高的處理速度和更低的能耗，從而有利于深度學(xué)習(xí)中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算速度和性能的提升。

傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)通常使用離散的機(jī)械和光學(xué)組件來制造，從而導(dǎo)致解決方案的可靠性驗(yàn)證難度大，同時成本較高。如果通過半導(dǎo)體制造工藝，將數(shù)千個光學(xué)和電子元件組合到一個芯片上，便可以很好地解決這個問題。

國科光芯創(chuàng)始人劉敬偉曾表示：硅光技術(shù)是實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的最好路徑。硅光技術(shù)可將復(fù)雜的光學(xué)器件組成的激光雷達(dá)系統(tǒng)集成（或大部分集成）于一顆硅光芯片上，并采用CMOS工藝進(jìn)行加工，在實(shí)現(xiàn)很低成本的同時獲得卓越性能。近年來已經(jīng)有不少光通訊器件廠商開始把下一個應(yīng)用市場轉(zhuǎn)向激光雷達(dá)賽道，并將激光雷達(dá)核心收發(fā)功能集成到一顆芯片中。

不過，硅光子當(dāng)前發(fā)展最成熟的是包含數(shù)據(jù)中心互連收發(fā)器在內(nèi)的連接領(lǐng)域，涉及數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等。后續(xù)將逐步擴(kuò)展到人工智能、激光雷達(dá)和其他傳感器等新興應(yīng)用中。

02 硅光芯片成兵家必爭之地

縱觀硅光子在全球的發(fā)展情況，美國是硅光子最先興起的，也是目前發(fā)展最超前的國家。

早在1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的S.E.Miller首次提出了集成光學(xué)的概念，但是由于InP波導(dǎo)的高損耗和工藝落后難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，這一技術(shù)在當(dāng)時未能掀起波瀾，之后將這一技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大的是Intel。2010年Intel開發(fā)出首個50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。隨后歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過并購迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領(lǐng)域布局最全面的公司。

中國真正開始大規(guī)模研究硅光子是在2010年左右，之前多為學(xué)術(shù)上的研究，起步晚導(dǎo)致中國在硅光子的產(chǎn)品化進(jìn)程上不如美國。但中國對于硅光子技術(shù)研發(fā)方面人才和資金的大規(guī)模投入，使得國內(nèi)硅光產(chǎn)業(yè)與國外差距并沒有十年之久。2017年中國的硅光產(chǎn)業(yè)迎來快速發(fā)展。

從產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展看，全球硅光產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐漸成熟，從基礎(chǔ)研發(fā)到商業(yè)應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)均有代表性的企業(yè)。

其中以Intel、思科、Inphi為代表的美國企業(yè)占據(jù)了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業(yè)內(nèi)領(lǐng)頭羊。國內(nèi)廠商主要有中際旭創(chuàng)、熹聯(lián)光芯、華工科技、新易盛、光迅科技、博創(chuàng)科技、華為、亨通光電等。雖然國產(chǎn)廠商進(jìn)入該領(lǐng)域較晚，市場份額相對較小，但是通過近年來在技術(shù)上的快速追趕，國產(chǎn)廠商與國外廠商在技術(shù)上的差距已經(jīng)在逐步縮小。

100G已多點(diǎn)開花

2018年8月，中國自行研制的“100G硅光收發(fā)芯片”在武漢投產(chǎn)使用，并通過了用戶現(xiàn)網(wǎng)測試，性能穩(wěn)定可靠。這標(biāo)志著中國商用100G硅光芯片正式研制成功，此后中國自主硅光芯片技術(shù)也邁上了新的臺階。

此外還有多家硅光模塊廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)100G硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化商用。比如：

蘇州熹聯(lián)光于2021年10月成功并購行業(yè)領(lǐng)先的sicoya，目前熹聯(lián)光芯的100G光模塊已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，400G光學(xué)引擎及光模塊已進(jìn)入客戶送樣認(rèn)證階段。

2018年，由國家信息光電子創(chuàng)新中心、光迅科技公司、光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國信息通信科技集團(tuán)聯(lián)合研制成功的“100G硅光收發(fā)芯片”正式投產(chǎn)使用。實(shí)現(xiàn)100G/200G全集成硅基相干光收發(fā)集成芯片和器件的量產(chǎn)，并通過了用戶現(xiàn)網(wǎng)測試，性能穩(wěn)定可靠，為80公里以上跨距的100G/200G相干光通信設(shè)備提供超小型、高性能、通用化的解決方案。

2018年，亨通光電與英國洛克利硅光子公司合作的100G硅光子模塊項(xiàng)目完成了100Gbps硅光芯片的首件試制和可靠性測試，完成了硅光子芯片測試平臺搭建，隨后便將這一產(chǎn)品納入量產(chǎn)計劃。

其實(shí)，不只是100G硅光模塊，在400G、800G硅光模塊領(lǐng)域也不乏佼佼者的出現(xiàn)。

400G強(qiáng)者云集

從長期來看，硅光方案已是大勢所趨，在400G光模塊時代或?qū)⒋笠?guī)模發(fā)力。

400G是優(yōu)勢釋放的拐點(diǎn)。因?yàn)樵?00G短距CWDM4和100G中長距相干光模塊中，硅光模塊成本優(yōu)勢不明顯。而在400G及以上的高速率的場景中，傳統(tǒng)DML和EML成本較高，硅光模塊成本優(yōu)勢更為顯著。

國內(nèi)也有不少硅光模塊廠商已經(jīng)出樣給客戶，想必距離大規(guī)模應(yīng)用無需太久。

2021年亨通光電宣布，旗下子公司亨通洛克利科技有限公司在100G硅光AOC產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步充實(shí)數(shù)通高速模塊產(chǎn)品系列，推出了量產(chǎn)版400GQSFP-DDDR4硅光模塊和基于傳統(tǒng)方案的400GQSFP-DDFR4光模塊。

2022年中際旭創(chuàng)曾在其投資者關(guān)系活動中回答稱，公司800G硅光模塊已送樣海外部分客戶，400G硅光模塊已進(jìn)入市場導(dǎo)入階段，正在接受海外客戶認(rèn)證。公司擁有自主研發(fā)的硅光芯片核心技術(shù)與能力，能夠把握未來硅光發(fā)展方向，為客戶主動推送更高速率的硅光解決方案。

光迅科技是國內(nèi)為數(shù)不多的能夠?qū)?00G硅光數(shù)通模塊進(jìn)行商業(yè)出貨的公司，目前其國內(nèi)的最大客戶是阿里。近日，有投資者在投資者互動平臺提問：400G硅光模塊出貨量如何？訂單多嗎？國內(nèi)市場應(yīng)用400G硅光模塊的市場狀況如何？

光迅科技7月4日在投資者互動平臺表示，400G光模塊國內(nèi)市場今年有一定需求，二季度環(huán)比一季度有所增長，是否采用硅光方案取決于客戶需求，暫不方便披露細(xì)節(jié)。

再加上文提及的熹聯(lián)光芯以及華工科技、新易盛、博創(chuàng)科技等公司的400G硅光模塊產(chǎn)品均可圈可點(diǎn)。

800G是未來主要增長點(diǎn)

去年，在投資者互動平臺上，華工科技回復(fù)投資者提問時透露，公司400G硅光芯片已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，800G硅光芯片預(yù)計今年實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。至于價格，華工科技稱具體產(chǎn)品單價屬于非公開信息，無法披露。

中際旭創(chuàng)的400G/800G硅光模塊也已采用自研的硅光芯片。

近日，光迅科技在其發(fā)布股票交易異動公告中稱，公司800G光模塊產(chǎn)品仍處于客戶送樣驗(yàn)證及小批量出貨階段，對業(yè)績的影響還很小。

如今，硅光模塊在速度、能耗、成本等方面將全面超越普通光模塊。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進(jìn)一步拓展，數(shù)據(jù)傳輸需求不斷增長，400G硅光模塊的高速率市場正在逐步打開。未來，硅光子的主要技術(shù)演進(jìn)將集中在更高集成度，800G硅光模塊將成為未來幾年的主要增長點(diǎn)。

03 光子是否會代替電子

硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界下一個追逐的目標(biāo)。隨著產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的不斷成熟，產(chǎn)業(yè)環(huán)境不斷優(yōu)化，我國硅光芯片產(chǎn)業(yè)正蓄勢待發(fā)。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，到2025年，基于硅光芯片的應(yīng)用規(guī)模將達(dá)到26.15億美金，2020—2025年復(fù)合增速達(dá)到38%。到2025年，硅光模塊總和市場規(guī)模將達(dá)到18.91億美金，占據(jù)硅光芯片應(yīng)用的近72.3%。同時硅光技術(shù)在光模塊中的總體應(yīng)用占比將從2020年的5.7%提升至2025年的15%以上。

面對硅光優(yōu)越的性能以及廣闊的市場前景不禁有人發(fā)問：光子會代替電子嗎？

首先，光芯片的概念很好，但是在實(shí)施應(yīng)用推廣上，還存在很多不如意的地方，相比較電子芯片全流程相對來說已經(jīng)很成熟的產(chǎn)品來講，同質(zhì)產(chǎn)品用光芯片來代替，無論是客戶還是市場，都需要一定時間來接受。

其次，硅光子技術(shù)當(dāng)前還面臨硅上發(fā)光研發(fā)難度大、光模塊封裝成本高、硅光子在CMOS工藝上難以完全適應(yīng)等研發(fā)挑戰(zhàn)。此外硅光技術(shù)發(fā)展時間較短在產(chǎn)業(yè)生態(tài)上也仍存在諸多不足。比如：技術(shù)路線多樣，硅光芯片方案不同，各廠家模塊設(shè)計方案不同；設(shè)計套件非標(biāo)化，設(shè)計與Fab分離，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計與仿真工具，以及PDK套件；晶圓自動測試及切割，定制化硅光芯片，需要廠家具備晶圓測試及自動分割的能力。

北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李培剛曾表示，“目前來看，光和電是在兩個‘賽道’上，各有自己的應(yīng)用場景。在邏輯運(yùn)算領(lǐng)域，未來的趨勢是光電集成，要實(shí)現(xiàn)全光計算還需要很長的一段時間。”李培剛還強(qiáng)調(diào)“光有光的優(yōu)勢，電有電的優(yōu)勢。在某些應(yīng)用場景中，兩者有競爭，但更多的時候，二者是共贏關(guān)系。”

硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界下一個追逐的目標(biāo)。未來我們可以充分利用光子集成電路高速率傳輸和電子集成電路多功能、智能化的優(yōu)點(diǎn)，在新的賽道上能跑出更好成績。

審核編輯：劉清